A. Energieformen
V. Arbeit, Energie und Leistung
A. Energieformen
Energie tritt in verschiedenen Formen auf.
- Mechanische Energie: kinetische Energie (= Bewegungsenergie) und potentielle Energie (=
Lageenergie)
- Innere Energie: chemische Energie, thermische Energie, Kernenergie
- Strahlungsenergie
- Elektrische Energie
Energie kann nicht erzeugt oder vernichtet werden. Es können nur verschiedene Energieformen
ineinander umgewandelt werden.
Das sagt der Energieerhaltungsatz: In einem abgeschlossenen System ist die Gesamtenergie konstant.
B. Die Arbeit W
B. Die Arbeit W
„Goldene Regel der Mechanik“: Man kann Kraft sparen, wenn man den Weg verlängert. (Zum Beispiel
wenn man bergauf im Zick-Zack-Kurs fährt.)
Aber das Produkt aus Kraft und Weg ist dabei immer konstant. Dieses Produkt nennt man in der Physik
Arbeit W.
Arbeit = Kraft (in Wegrichtung) mal Weg
W = F·s
Die Einheit der Arbeit ist das Joule (J). [ W ] = J = N·m
Ein Joule wird also verrichtet, wenn die Kraft von einem Newton entlang des Weges 1 m wirkt. (Z.B.
verrichtet man ca. ein Joule, wenn man 100 g Schokoladetafel 1 m hoch hebt.)
Immer wenn Arbeit verrichtet wird, geht Energie von einem Körper auf einen anderen über oder es wird
eine Energieform in eine andere umgewandelt.
Energie ist also die „gespeicherte Arbeit“. Also ist die Einheit der Energie auch das Joule.
C. Die Hebearbeit und die Beschleunigungsarbeit
C. Die Hebearbeit und die Beschleunigungsarbeit
Hebearbeit: Wenn man einen Körper aufhebt, dann verrichtet man Hebearbeit . Die potentielle Energie
des Körpers wird dabei größer.
Beispiel: Wenn man einen 2-Liter Flasche Wasser, die 2 kg Masse hat 1,5 m hoch aufhebt, dann hat man
die Hebearbeit W != 2 · 10 · 1,5 = 30 J verrichtet.
Beschleunigungsarbeit: Wenn man einen Körper von 0 auf die Geschwindigkeit v beschleunigt, dann
verrichtet man Beschleunigungsarbeit . Die kinetische Energie des Körpers wird dabei größer.
Beispiel: Wenn ein Auto mit 1400 kg von 0 m/s auf 10 m/s beschleunigt wird, dann wird die
Beschleunigungsarbeit W != 1/2 · 1400 · = 70 000 J = 70 kJ verrichtet.
Beispiel: Wenn ein Auto mit 1400 kg von 10 m/s auf 20 m/s beschleunigt wird, dann wird die
Beschleunigungsarbeit
W = != 1/2 · 1400 · - 1/2 · 1400 · = 280 000 - 70 000 = 210 000 J = 210 kJ verrichtet!
Weitere Arten von Arbeit:
Verformungsarbeit, um einen Körper, z.B. Plastilin, zu verformen.
Spannarbeit, um z.B. eine Feder zu spannen.
D. Die Leistung P
D. Die Leistung P
Leistung ist Arbeit pro Zeit. P = W/t
Die Einheit der Leistung ist das Watt. [P] = W = J/s
Ein Watt bedeutet, dass in einer Sekunde die Arbeit 1 Joule verrichtet wird.
Beispiel: Wie groß ist die Leistung, wenn man in einer halben Sekunde eine 2-Liter Flasche Wasser,
die 2 kg Masse hat, 1,5 m hoch aufhebt? (Rechne selsbst!)
Andere Einheiten für die Leistung sind die Pferdestärke PS und die Kilowattstunde kWh. Es gilt: 1
kWh = 3 600 000 J.
Das geozentrische und das helozentrische Weltbild
A.Das Geozentrische Weltbild
In einem Weltbild versucht man, die Welt möglichst im Ganzen zu beschreiben.
In vielen alten Mythen stellt man sich die Welt als Scheibe dar. (Mesopotamien, Iran, …)
Die Erde ist eine Kugel
Schon in der Antike war bekannt, dass die Erde eine Kugelform hat.
Aristoteles (ca. 340 v.Chr) kannte folgende Argumente für die Kugelform der Erde:
-
Der Erdschatten auf dem Mond bei einer Mondfinsternis ist rund.
-
Wenn am Meer Schiffe von der Küste wegsegeln, wird zuerst das Segel unsichtbar.
-
In südlicheren Ländern stehen südliche Sternbilder höher.
Eratosthenes (3. Jahrhundert v.Chr.) gelang es sogar, ungefähr den Erdumfang auszurechnen.
Geozentrisches Weltbild
Lange und systematische Beobachtungen des Himmels und Berechnungen führten zum
geozentrischen Weltbild,
das z.B. Aristoteles formulierte:
-
Im Zentrum ( = Mittelpunkt) des Universums ruht die kugelförmige Erde.
-
Die Erde ist von Kugeln aus Kristall umgeben. ( = Himmelssphären) Diese bestehen aus dem
durchsichtigen
„Äther“. Im Weltbild von Aristoteles (, das heute NICHT mehr gilt!!!) ist der Äther das „5.
Element“ neben Feuer,
Wasser, Luft und Erde.
-
Auf den Himmelssphären befinden sich die Himmelskörper (Sonne, Mond, 5 bekannte Planeten,
Fixsterne).
Sonne, Mond und Planeten sind perfekte Kugeln, die sich auf perfekten Kreisbahnen um die Erde
bewegen.
Das Modell von Aristoteles konnte nicht erklären, warum die Planeten am Himmel Schleifen- und
Kurvenbahnen haben.
Um dieses Problem zu lösen, veränderte Ptolemäus ca. 150 n.Chr. das geozentrische Weltbild.
Das geozentrische Modell von Ptolemäus
-
Die Planeten bewegen sich auf kleinen Kreisen ( = Epizykel),
deren Mittelpunkte sich auf großen Kreisen (= Deferent) um die Erde bewegt.
-
So können die Schleifen- und Kurvenbahnen erklärt werden.
Ca. 1300 Jahre lang, bis zum Ende des 15. Jahrhunderts, behielt man das geozentrische Weltbild des
Ptolemäus
B. Das heliozentrische Weltbild und die Kopernikanische
Wende
Nikolaus Kopernikus
stellt ein neues Weltbild auf, das die Kurven- und Schleifenbahnen der Planeten und die Merkur-
und Venusbahn gut
eleganter erklären kann, als das geozentrische Weltbild. (1543: „De revolutionibus orbium
coelestium“)
Heliozentrisches Weltbild des Kopernikus
-
Die Sonne ( = Helios) ruht im Zentrum des Universums.
-
Alle Planeten, auch die Erde, bewegen sich auf Kreisbahnen um die Sonne.
-
Die Rotation der Erde ist die Ursache für die scheinbare Bewegung der Himmelskörper in 24
Stunden.
-
Das neue heliozentrische Weltbild wird von der Wissenschaft und Theologie zur Zeit des
Kopernikus heftig bekämpft.
-
Da Kopernikus (fälschlicherweise) von Kreisbahnen der Planeten ausgeht, ist sein Modell zwar
eleganter,
aber nicht genauer als das von Ptolemäus. Die Planetenbahnen können noch nicht korrekt
vorhergesagt werden.
Galileo Galilei
- perfektioniert und nützt das Fernrohr (Teleskop), um den Himmel zu beobachten.
Viele seiner Beobachtungen sind im Widerspruch zum geozentrischen Weltbild und bestätigen das
heliozentrische Weltbild.
-
Er entdeckt vier Jupitermonde.
→ Die Jupitermonde kreisen um den Jupiter und nicht um die Erde!
→ Wenn es „Himmelssphären“ gäbe, würden die Jupitermonde sie zerstören.
-
Die Venus hat Phasen wie der Mond.
→ Kann nur erklärt werden, wenn die Venus um die Sonne kreist und nicht um die Erde.
-
Die Mondoberfläche ist nicht glatt!
→ Der Mond ist keine perfekte Kugel.
-
Er entdeckt Sonnenflecken.
→ Die Sonne ist keine perfekte Kugel.
-
Er sieht 1604 eine Supernova („Sternenexplosion“)
→ Der Fixsternhimmel ist nicht unveränderlich.
Tycho Brahe
- Beobachtet 1572 einen „neuen Stern“ (Supernova) und wird damit berühmt.
- Beobachtet 1577 einen Kometen.
- Führt in der berühmten Sternwarte Uraniborg in Dänemark (ohne Fernrohr, das war noch nicht
erfunden) sehr
genaue Beobachtung der Planetenbewegung und des Sternenhimmels durch.
- Formuliert ein eigenes Weltbild: Im Zentrum der Welt ist die Erde. Die Sonne kreist sich um die Erde.
Alle anderen
Planeten kreisen um die Sonne.
-In Prag beginnt er 1600 im Auftrag von Kaiser Rudolf, die Planetenbahnen noch genauer zu berechnen.
(→ Rudolfinische Tafeln, die von Galilei fertiggestellt werden. )
Johannes Kepler
lehrte an der Universität Graz Mathematik und wurde von Tycho Brahe als Assistent nach
Prag geholt. Dort wurde er Tychos Nachfolger als kaiserlicher Hofmathematiker am Hof
Rudolfs II. Er analysierte die Bahn des Mars und entdeckte so die Keplerschen Gesetze.
Die Keplerschen Gesetze
1) Die Planeten bewegen sich auf elliptischen Bahnen. In einem Brennpunkt ist die Sonne.
2) Die Linie zwischen Planet und Sonne überstreicht in gleichen Zeiten gleiche Flächen.
( → Der Planet ist im Perihel (= sonnennächster Punkt) schneller als im Aphel (= sonnenfernster
Punkt). )
3) Die Quadrate der Umlaufzeiten von 2 Planeten verhalten sich wie die 3. Potenzen der großen
Halbachsen.
C. Unser Sonnensystem
-
Unser Sonnensystem entstand vor ca. 4,6 Milliarden Jahren.
-
Das Sonnensystem besteht neben der Sonne aus
- vier inneren kleineren Planeten: Merkur, Venus, Erde, Mars
- dem Asteroidengürtel aus ca. 100 000 – 10 000 000 Asteroiden
- vier äußeren großen Planeten: Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun
- dem Kuiper-Gürtel aus ca. 1 000 000 000 Objekten, dazu gehören die Zwergplaneten Pluto und
Eris
- der Oort´schen Wolke, die kugelförmig um das Sonnensystem herum liegt
-
Das Sonnensystem befindet sich im äußeren Teil unserer Heimatgalaxis, der Milchstraße.
- Die Milchstraße ist eine scheibenförmige Spiralgalaxis.
- Sie besteht aus ca. 1000 Milliarden Sternen.
- Sie hat einen Durchmesser von ca. 100 000 Lichtjahren.
-
Das sichtbare Universum besteht aus geschätzt 100 Milliarden Galaxien und dürfte ca.
13,8 Milliarden Jahre alt sein.
VII. Das Gravitationsgesetz von Newton
Das gleiche Gesetz ist die Ursache dafür, dass ein Apfel auf den Boden fällt und dass sich der Mond
um die Erde dreht. Das
war Newtons geniale Idee. Es handelt sich um die allgemeine Massenanziehung, die besagt, dass
alle Körper sich wegen ihrer
Masse anziehen.
Der Mond fällt sozusagen um die Erde herum.
GRAVITATIONSGESETZ
-
Die Gravitationskraft zwischen zwei Körpern ist proportional zum Produkt der Massen. FG - m1 ∙
m2
-
Die Gravitationskraft zwischen zwei Körpern ist indirekt proportional zum Quadrat des
Abstands. FG - 1/r2
-
Es gilt: = ∙(m1.m2/r2)
FG - Gravitationskraft
m1 und m2 - (schwere) Massen der beiden Körper
r - Abstand der Schwerpunkte der beiden Körper G
- Gravitationskonstante, G != 6, 67 ∙ 10 – 11 Nm2 /
kg2
+ Das G
ravitationsgesetz von Newton erklärt, warum sich die Planeten gemäß den Kepler´schen
Gesetzen bewegen.
+ 1797 gelang es Henry Cavendish als erstem, die Gravitationskonstante G mit Hilfe einer
Drehwaage zu messen.
Satelitten
Ein Satellit ist ein Köper, der sich in einer Umlaufbahn um einen zweiten Körper mit deutlich mehr
Masse befindet.
Natürliche Satelliten: Monde um Planeten; Planeten und Asteroiden um Sterne
Künstliche Satelliten: z.B. z.B. Erdsatelliten, Mars-Orbiter -
Das Gravitationsgesetz sagt für das „Zwei-Körper-Problem“ (z.B. Planet um Sonne) folgende
Bahnen voraus:
Geschlossene Bahnen:
Kreis,
Ellipse
Offene Bahnen (Satellit kommt nicht zurück):
Parabel,
Hyperbel
Die Bahn wird durch die Geschwindigkeit des Satelliten bestimmt
Erfolge und Grenzen von Newtons Gravitationsgesetz
Das Mehrkörperproblem und die Entdeckung des Neptun
-
Nicht nur die Sonne, sondern auch die anderen Planeten beeinflussen die Bahn eines Planeten.
Dadurch bewegen sich die Planeten nicht auf exakten Ellipsen.
-
1781 entdeckte Wilhelm Herschel den Planeten Uranus. Seine Bahn stimmte nicht mit der
vorherberechneten überein.
-
Man vermutete, dass seine Bahn von einem unbekannten Planeten beeinflusst wurde.
Der Astronom Le Verrier berechnete, wo sich dieser Planet befinden müsste.
-
1846 entdeckte Galle mit Hilfe dieser Berechnungen den neuen Planeten: Neptun.
Die Periheldrehung des Merkur
-
Auch die Bahn des inneren Planeten, des Merkur, stimmte nicht mit der vorherberechneten
überein.
-
Das Perihel (= sonnennächster Punkt) verschiebt sich bei jedem Umlauf ein bisschen.
In 100 Jahren um 0,148°.
-
Davon konnten 0,012° nicht durch den Einfluss der anderen Planeten erklärt werden.
-
Wieder vermutete man einen unbekannten Planeten, diesmal innerhalb der Merkurbahn.
Man nannte ihn Vulkan und suchte ihn mehrere Jahrzehnte lang.
-
Der hypothetische Planet Vulkan wurde bis heute nicht gefunden. Er existiert nicht.
Die erfolgreiche Gravitationstheorie von Newton kam bei der Erklärung der Merkurbahn an eine
Grenze. In der Nähe von
großen Massen ist sie nicht exakt genug und daher falsch. Für viele Anwendungen z.B. in der
Raumfahrt ist Newtons
Gravitationstheorie aber eine gute Näherung.
Im Jahr 1916 legte Einstein eine neue Theorie der Gravitation vor: Die allgemeine
Relativitätstheorie (ART).
Mit dieser Theorie konnte er die Periheldrehung des Merkur genau vorhersagen.
VIII. Grundlagen der Thermodynamik
( = Wärmelehre)
A. Thermische Bewegung
+ Die ungeordnete Bewegung von Atomen und Molekülen nennt man thermische Bewegung.
+ Z.B. bei Reibung wird geordnete kinetische Energie (Ein Körper bewegt sich.) in ungeordnete
kinetische Energie umgewandelt.
(Der Körper wird langsamer, die ungeordnete Bewegung der Teilchen wird größer. → der Körper
und die Umgebung erwärmen
sich.)
Die Brown´sche Bewegung ist die unregelmäßige Bewegung eines kleinen sichtbaren Teilchens. Sie
wird durch Stöße mit noch
kleineren unsichtbaren Teilchen, welche sich ungeordnet bewegen (thermische Bewegung),
verursacht.
B. Temperatur und Temperaturskalen
+ Die Temperatur ist ein (indirektes) Maß für die thermische Bewegung.
(Je größer also die durchschnittliche ungeordnete Bewegungsenergie der Atome und Moleküle
eines Objekts ist, desto größer
ist die Temperatur dieses Objektes.)
+ Messgeräte zur Temperaturmessung heißen Thermometer.
+ Bekannte Temperaturskalen sind: Celsius-, Kelvin- und Fahrenheitskala.
+ Die Temperatur ist eine SI-Basisgröße und die SI-Einheit für die Temperatur ist das Kelvin K.
Eine Temperaturskala benötigt zwei Fixpunkte, die genau definiert werden.
Im Alltag benützen wir meist die Celsius-Skala.
Fixpunkte der Celsius-Skala
0° C - Schmelzpunkt von Eis bei einem Druck von ca. 1 bar
100° C - Siedepunkt von Wasser bei einem Druck von ca. 1 bar
(Genau ist die Celsius-Skala über die Kelvin-Skala definiert: Temperatur in °C = Temperatur in K −
273 ,15 )
In der Physik nützt man häufig die Kelvin-Skala.
Fixpunkte der Kelvin-Skala
0 K - Absoluter Nullpunkt - Tiefste mögliche Temperatur → Es gibt keine thermische Bewegung
mehr.
273,16 K - Tripelpunkt des Wassers - Wasser ist bei bestimmten Temperatur-Druck-Paar sowohl
flüssig, gasförmig und fest.
Der absolute Temperatur-Nullpunkt 0 K aus prinzipiellen physikalischen Gründen nicht erreicht
werden.
C. Ausdehnung durch Erwärmung
-
Die meisten Körper vergrößern bei Erwärmung ihr Volumen.
-
Die Volumenänderung ist bei Gasen größer als bei Flüssigkeiten und bei Flüssigkeiten größer als
bei Festkörpern.
-
Die Ausdehnung ist vom Material abhängig.
Anwendung zur Temperaturmessung
-
Flüssigkeitsthermometer → An der Höhe der Flüssigkeitssäule kann man die Temperatur ablesen.
-
Bimetallstreifen → Aus zwei verschiedenen Metallen,
die sich bei Erwärmung unterschiedlich stark ausdehnen. →
→ Bimetallstreifen verbiegt sich bei Erwärmung. →
→ Wird als Thermometer oder Thermostat in Bügeleisen, Wassserkocher, elektrischen
Sicherungen benützt.
Beispiele in der Technik
-
Brücken → Zumindest ein Ende der Brücke wird beweglich gelagert, damit Wärmeausehnung die
B
rücke nicht beschädigt.
-
Zentralheizung → Benötigt ein Expansionsgefäß, damit bei Wärmeausdehnung der Druck in den
Rohren nicht zu groß wird.
-
Stromleitungen → Müssen im Sommer ausreichend durchhängen, damit sie im Winter lang genug
sind.
Die Anomalie des Wassers
-
Wasser besitzt die größte Dichte bei 4 °C.
-
Unterhalb von 4 °C nimmt die Dichte wieder ab. (Zwischen 0° und 4° zieht Wasser sich bei
Erwärmung also zusammen.)
-
Wasser besitzt eine größere Dichte als Eis.
Beispiel in der Natur
Da Eis eine geringere Dichte als Wasser besitzt, schwimmt es auf dem Wasser.
Seen frieren also zunächst an der Oberfläche. Am Grund tiefer Seen hat das Wasser eine
Temperatur von 4 °C, da Wasser bei dieser Temperatur seine größte Dichte besitzt.
Fische und andere Wasserlebewesen können dort den Winter überleben.
D. Wärme und spezifische Wärmekapazität
Wärme
Wenn sich Objekte oder Substanzen mit unterschiedlicher Temperatur berühren, dann geht Wärme
(ungeordnete
Bewegungsenergie) vom Körper mit höherer Temperatur zum Körper mit niedriger Temperatur
über.
(Solange, bis beide die gleiche Temperatur haben.)
Spezifische Wärmekapazität
→ Die Energie (also Wärme), die man benötigt, um die Temperatur eines Körpers zu erhöhen,
hängt vom Material des Körpers ab.
→ Die spezifische Wärmekapazität c sagt, wie viel Energie nötig ist, um 1 kg eines Materials um 1 K
(also 1°C) zur erwärmen.
→ Die Einheit von c ist J∙kg– 1
∙ K – 1
.
→ Wasser hat eine sehr große spezifische Wärmekapazität.
Einige Werte für die spezifische Wärmekapazität c
Material spezifische Wärmekapazität c in J/(kg∙K)
Eisen 450 Formel für die benötigte Wärme Q (in J),
Aluminium 920 um eine Masse m (in kg) um die Temperatur dT (in K) zu erhitzen
Luft 1000 Q = c ∙ m ∙ dT
Wasser 4190
Beispiel: Ein Liter Wasser (entspricht 1 kg) wird in einem Eisentopf mit 1,2 kg Masse erhitzt.
Berechne die nötige Energie, um das Wasser (und den Topf) von 20°C auf 100°C zur erhitzen.
Die Temperaturdifferenz ist 80° C, also 80 K. (Temperaturdifferenzen sind in °C und K gleich groß.
Energie, um Wasser zu erwärmen: Q = c ∙ m ∙ dT = 4190 ∙ 1 ∙ 80 = 335 200 J = 335,2 kJ
Energie, um Eisen zu erwärmen: Q = c ∙ m ∙ dT = ∙ ∙ 80 = J = kJ
Gesamtenergie: kJ
Nachteil der hohen Wärmekapazität von Wasser:
Das Erwärmen von Wasser beim Kochen oder Baden verbraucht sehr viel Energie.
Vorteil der hohen Wärmekapazität von Wasser:
Maritimes Klima: Das Meer speichert im Sommer wegen seiner hohen Wärmekapazität viel Energie,
ohne sich dabei stark zu
erwärmen. Diese Energie wird im Winter wieder abgegeben. Das Klima am Meer ist daher das
ganze Jahr über relativ ausgeglichen.
In der Mitte der Kontinente (weit entfernt vom Meer), sind die Temperaturunterschiede viel größer.
(→ Kontinentales Klima).
E. Wärmeübertragung
Es gibt drei Möglichkeiten der Wärmeübertragung:
-
Wärmeleitung
-
Wärmeströmung ( = Konvektion)
-
Wärmestrahlung
Wärmeleitung
Wenn es in einem Körper eine Temperaturdifferenz gibt, „fließt“ Wärme vom heißeren zum
kälteren Ende.
Das nennt man Wärmestrom. Dabei fließt keine Materie, sondern Energie.
Metalle sind gute Wärmeleiter, Holz und Styropor sind schlechte Wärmeleiter.
Die Formel für den Wärmestrom I ist: I = a∙(A/d) ∙dT
I - Wärmestrom in J/s
a - Wärmeleitfähigikeit des Materials in W/(mK)
A - Querschnitt in m2
d - Wanddicke in m
dT - Temperaturdifferenz
Um Wärmeverluste durch eine Wand zu verringern kann man also -
-
die Fläche der Wand verkleinern oder die Wanddicke vergrößern,
-
Materialien mit kleiner Wärmeleitfähigkeit als Wärmeisolation benützen (z.B. Styropor),
-
die Temperaturdifferenz verringern.
Wärmeströmung = Konvektion
Wärme und Materie wird transportiert.
Freie Konvektion: Erwärmte Gase oder Flüssigkeiten dehnen sich aus, ihre Dichte sinkt und auf
Grund der Gravitation steigen sie auf, während kältere dichtere Gase und Flüssigkeiten absinken.
Beispiele: Erwärmen von Wasser in Gewässern oder im Kochtopf, Golfstrom im Meer, Heizen von
Räumen, Tiefdruckgebiete
Erzwungene Konvektion: Konvektion durch Pumpen oder Ventillaton.
Wärmestrahlung
D
urch die thermische Bewegung der Teilchen eines Objekts entsteht Wärmestrahlung.
Die Intensität und das Maximum der Strahlung hängen von der Temperatur des Objekts ab.
Bei Zimmertemperatur liegt das Maximum der Wärmestrahlung im Bereich von infrarotem Licht.
Die Sonne mit einer Oberflächentemperatur von ca. 6000 K und ihr Strahlungsmaximum ist im
Bereich von sichtbarem Licht.
Bei Wärmestrahlung handelt es sich um sogenannte elektromagnetische Wellen.
F. Hauptsätze der Thermodynamik
1. Hauptsatz der Thermodynamik
-
Der 1. Hauptsatz ist eine Erweiterung des Energieerhaltungssatzes:
„Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden. Es können nur verschiedene Energieformen
ineinander
umgewandelt werden.“
-
Wärme ist eine Übertragung von Energie, wie auch Arbeit.
-
Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik sagt:
„Man kann die innere Energie eines Systems durch Zufuhr von Arbeit oder Wärme vergrößern.“
Die innere Energie ist die Summe der ungeordneten Bewegungsenergie (entspricht der Temperatur)
und der Bindungsenergie
(entspricht dem Aggregatzustand – fest, flüssig, gasförmig) der Teilchen des Systems.
2. Hauptsatz der Thermodynamik
+ Ein System nimmt von selbst immer den wahrscheinlichsten Zustand an. Das ist der Zustand mit
der größeren
Unordnung. (Der größeren „Entropie“.)
+ Eine Folge des 2. Hauptsatzes ist, dass Wärme von alleine immer vom wärmeren zum kälteren
Körper übergeht
G. Aggregatzustände und Phasenübergänge
Aggregatzustände
-
Aggregatzustände sind unterschiedliche Zustände eines Stoffes,
die sich durch Änderungen von Temperatur oder Druck
ineinander umwandeln können.
-
Die wichtigsten Aggregatzustände sind, flüssig und gasförmig.
-
Es gibt noch weitere Aggregatzustände, wie z. B. das Plasma.
Phasenübergänge
-
Die Umwandlung von einem Aggregatzustand in
einen anderen nennt man Phasenübergang.
-
In der Abbildung siehst du die Bezeichnungen
der Phasenübergänge.
-
Bei Phasenübergängen ändern sich die Bindungen
zwischen den Teilchen.
(Am stärksten gebunden sind die Teilchen bei Festkörpern.)
-
Bei Phasenübergängen muss Energie zugeführt werden bzw. Energie wird frei.
-
Die Temperatur verändert sich während des Phasenübergangs nicht.
Bei diesen Phasenübergängen muss Energie zugeführt werden: Schmelzen, verdampfen,
sublimieren.
Bei diesen Phasenübergängen wird Energie frei: Erstarren, kondensieren, resublimieren.
Temperatur-Energie-Diagramm von Wasser
Das Diagramm zeigt, wie sich Eis bei normalem Luftdruck verändert,
wenn man Energie zuführt:
-
Bis 0°C steigt die Temperatur von Eis.
-
Bei 0°C bleibt die Temperatur (trotz Energiezufuhr) konstant,
bis das Eis in Wasser umgewandelt ist.
-
Zwischen 0°C und 100°C steigt die Temperatur von Wasser.
-
Bei 100°C bleibt die Temperatur (trotz Energiezufuhr) konstant,
bis das Wasser in Wasserdampf umgewandelt ist.
-
Über 100°C steigt die Temperatur von Wasserdampf.
Phasendiagramm von Wasser
Der Aggregatzustand eines Stoffes hängt nicht nur von der
Temperatur, sondern auch vom Druck ab.
Das ist im Phasendiagramm dargestellt.
-
Bei 1 bar ist der Schmelzpunkt 0°C und der Siedepunkt 100°C.
-
Bei weniger Druck ist der Siedepunkt tiefer.
(z.B. auf hohen Bergen. Dort kocht Wasser schon unter 100°C.)
-
Bei mehr Druck ist der Siedepunkt höher.
(z.B.im Druckkochtopf → Man spart Energie, weil die Speise kürzer kocht.)
Kritischer Punkt: Ab diesem Punkt gibt es keinen Unterschied mehr zwischen fest und flüssig.
Tripelpunkt: Bei genau dieser Temperatur und diesem Druck kann Wasser fest, flüssig und
gasförmig sein. (→ Fixpunkt der Kelvinskala)
